基于大涡模拟的风力机对区域大气边界层特性影响研究

摘要

当今，风力发电以其节约能源、减少污染物排放等优点在国内外迅速发展起来，风力发电在带来积极环境效益的同时，风力机运行过程中对局地大气边界层结构、局地气候的影响已引起学界的高度关注。风力机是将风能转化为电能的核心设备，运行时产生尾流，造成大气的能量损失，所以研究风力机运行对大气边界层特性的影响机理对优化风能项目的设计至关重要。 通过建立风力机及周围流场模型，采用非稳态大涡模拟方法结合大气湍流理论，引入UDF函数对Fluent软件进行二次开发，加载大气边界层风速廓线和温度分布函数，研究风力机运行时对区域大气边界层特性影响，做了如下工作： （1）分析探究风力机运行对大气边界层特性影响的机理，对风力机运行时尾流的涡结构及尾流流动特征进行分析，并探究了尾流对大气边界层气象因素的影响，结果表明：风力机运行会产生类似螺旋结构的尾涡，尾涡结构分为中心涡、叶尖涡以及附着涡三个部分，风力机运行产生尾流是导致大气边界层特性改变的主要因素，尾流扰动减小了大气边界层内的大气能量，增加湍流动能，不但打破了大气边界层原本的分布结构、特性及能量平衡，同时在近尾流区域内速度亏损严重，湍流扰动剧烈，在近尾流风速廓线和湍动能分布曲线上均存在四个风速和湍流强度峰值，分别对应叶尖的叶尖涡和叶轮的中心涡。 （2）风力机运行在不同气温层结条件下对底层边界层区域特性对比变化分析，风速、湍动能、风切变指数、动量通量、热量通量在不同层结对比发现：气流在经过风力机后，变化趋势大致类似，但不同层结所引起的变化数值略微不同，同时由于在不同层结下温度的竖直分布不同导致风力机尾流对大气边界层内温度影响在不同温度层结下变化对比较为明显，且不同稳定层结下近尾流区温度较周围大气温度变化范围很小。 （3）针对下垫面变化时风力机尾流对大气边界层特性的影响进行研究，通过速度、温度、湍流度、风切变、动量以及热量通量的变化趋势及分布特性来说明风力机运行的影响，随着地表粗糙度的增大地表和大气之间的动量交换逐渐降低，而热量交换逐渐增高，速度恢复率逐渐降低；湍动能随着地表粗糙度的增大空间非均匀分布特性更加明显；温度沿垂直方向略微降低，且随着地表粗糙度的增大影响程度加深。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 风力发电对大气边界层影响研究现状

1.3 数值模拟

1.4 观测资料

1.5 本文主要研究内容

第2章 大涡模拟与边界层特性理论及模型研究

2.1 大涡模拟理论

2.2 大气边界层特性理论

2.2.1 大气边界层理论

2.2.2 垂直风廓线

2.2.3 湍流强度

2.2.4 大气温度层结

2.2.5 近地面湍流动量及热量通量

2.2.6 风切变指数

2.3.1 风力机建模

2.3.2 流场模型和网格划分

2.4 模拟条件设置

2.5 网格验证

2.6 方法验证

2.7 本章小结

第3章 边界层特性在不同层结状态下对比研究

3.1 风力机尾流流动结构分析

3.2 尾流对边界层特性的不同层结对比分析

3.2.1 速度流场分布对比分析

3.2.2 温度流场分布对比分析

3.2.3 湍动能流场分布对比分析

3.2.4 对风切变指数对比分析

3.2.5 湍流通量对比分析

3.3 本章小结

第4章 风力机在非均匀下垫面下运行尾流影响研究

4.1 下垫面基本理论及分析

4.2 模型及模拟设置

4.3.1 温度分布变化对比

4.3.2 速度分布变化对比

4.3.3 湍动能分布变化对比

4.3.4 风切变指数分布对比

4.3.5 湍流动量和热量通量分布变化对比

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢

附录